飞秒激光成丝技术因其独特的物理特性，被广泛应用于诸多领域。

封面展示了利用等离子体衍射技术研究飞秒激光成丝内部不对称性的实验场景。钛宝石飞秒激光在空气中聚焦产生光丝，另一束探测光穿过光丝中的等离子体，其波前会记录下等离子体的分布情况。由此产生的弯曲衍射条纹表征了光丝内部等离子体的非对称分布。这种非对称分布源于飞秒激光光斑本身的不对称性，而这一特性又会进一步引起超连续辐射的空间非对称分布。

1、背景介绍

飞秒激光成丝技术因其独特的物理特性，被广泛应用于诸多领域，如激光雷达、光丝引雷、自由空间激光通信、空气激光、太赫兹波产生、脉冲压缩等。光丝内光强与等离子体的空间分布特性，直接决定并影响其辐射太赫兹波与超连续谱等频率转换过程的特性参数，如空间分布模式、偏振态、发散角以及转换效率等。因此研究者广泛采用光束整形的方式来调控激光模式，进而实现对光丝形态的调控，如高斯光束、超高斯光束、平顶光束、贝塞尔光束、光束阵列等具有轴对称特性的光束。而利用艾里光束、像散光束等可以产生非对称形态的光丝及相应的超连续辐射、太赫兹辐射等。实际应用中光学元件面型误差、热畸变、衍射效应、大气湍流及非线性波前畸变等非理想因素，均会导致激光模式偏离理想状态。由此影响光丝内部光强和等离子体的分布，进而直接影响后续光丝诱导物理过程，如太赫兹、超连续、空气激光等。相较于上述主动调控手段，非理想光束对光丝形态的影响更加复杂和精细。因此，理解和量化非理想光斑模式对成丝特性的影响，对于提升光丝相关领域的应用具有重要价值。本研究围绕非理想光斑模式对于光丝空间分布的影响展开工作，对于解释、调控基于光丝产生的物理过程具有重要指导作用。

2、创新工作

南开大学刘伟伟教授团队基于等离子体衍射技术，实现了对于光丝内部不对称分布的观测与解释。由于光丝产生的等离子体会引起局部环境折射率发生改变，当一束探测光穿过等离子体时，这部分折射率改变量被编码至探测光波前相位，从而产生衍射。由于飞秒激光光斑的非对称性，光丝所产生的衍射条纹呈现明显的弯曲与不对称现象，如图1所示，反映出光丝内部等离子体密度的非对称性空间分布，论文中通过数值模拟的方法进一步验证了这一现象。

图1 光丝等离子体衍射测量。(a)等离子体衍射实验装置示意图；(b)800 nm激光光斑；(c)~(f)不同峰值功率下的非对称衍射条纹

由于实际应用中光斑偏离理想模式的问题难以避免，因此对于上述观测到的非对称性分布进行调控显得尤为重要。本文通过数值模拟，发现这种非对称性受到外部聚焦条件的影响。通过改变聚焦透镜数值孔径（NA）可以调控光丝内光强与等离子体的空间分布（如图2所示）。在紧聚焦条件下，光丝区域左右两侧等离子体密度差异更大，不对称性更突出。当数值孔径小于1/1000时，光丝变长，同时光强和等离子体密度降低，光斑的非对称性对于光丝内部光强和等离子体分布的非对称性影响减弱。因此，在实际应用中，使用长焦透镜或小孔径光束，可有效抑制由非理想光斑引发的非对称性成丝现象。

图2 不同数值孔径下非对称光斑成丝情况。(a1) (a2) (a3) NA 为1/200；(b1) (b2) (b3) NA为1/500；(c1) (c2) (c3) NA为1/1000；(d1) (d2) (d3) NA 为1/2000

光丝内部的不对称特性对于光丝辐射的超连续谱具有影响。文中通过改变透镜装调条件这一简单方法，实现了对光丝非对称分布的显著调控，并进一步实现了对超连续空间分布的调控。该现象对于理解和调控基于光丝所产生的物理过程，如超连续、太赫兹等，具有重要应用价值。

图3 弯曲光丝的产生及其辐射的超连续谱。(a) ~ (c) 激光光斑在透镜上偏心-2.5 mm；(d) ~ (f) 激光光斑在透镜上未偏心0 mm；(g) ~ (i) 激光光斑在透镜上偏心2.5 mm

3、总结与展望

通过等离子体衍射实验及数值模拟，系统研究了飞秒激光成丝过程中的非对称空间分布。通过等离子体衍射条纹的弯曲分布，证明激光模式的非对称性造成成丝后光强与等离子体的非对称性空间分布。并提出通过改变数值孔径、透镜装调等外部聚焦条件可有效增强或抑制非对称分布，并进一步实现对于超连续远场空间分布的调控。研究结果对于理解基于光丝所产生的其他物理现象，如超连续、太赫兹等，提供了重要依据。在后续工作中，团队将围绕光丝辐射超连续、太赫兹等的调控及其相关物理机制开展深入研究。

参考文献： 中国光学期刊网

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